Robot do manipulacji wewnątrzkomórkowej

Tytuł projektu:

Technologia mikromanipulacji z wykorzystaniem wizyjnego sprzężenia zwrotnego

Numer projektu:

N N503 082740

Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki
w ramach 40 konkursu wniosków o finansowanie projektów badawczych

Projekt realizowany w:

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Robotyki i Mechatroniki

Kierownik projektu: dr hab. inż. Maciej Petko

Streszczenie projektu:

Głównym celem projektu jest opracowanie metody projektowania robotów do mikromanipulacji materiałem biologicznym, wykorzystujących sprzężenie wizyjne.

Następujący gwałtowny rozwój biotechnologii wymaga coraz bardziej zaawansowanych technik manipulacji na poziomie komórki i wewnątrz komórki. Wykorzystywane są w tym celu manipulatory manualne lub z napędami, z wykorzystaniem telemanipulacji, wymagające sterowania przez doświadczonego operatora, który kontroluje przebieg procesu wzrokowo, przez mikroskop. Niektóre badania wymagają, aby narzędzie pozostawało w tym samym miejscu komórki przez wiele godzin, co jest trudne do uzyskania, ze względu na naturalne ruchy komórek oraz przemieszczanie się narzędzia pod wpływem wydłużania cieplnego elementów manipulatora i relaksacji naprężeń powstających podczas ruchu. Wystarczająco precyzyjna korekcja tych przemieszczeń w przestrzeni przez operatora jest praktycznie niemożliwa, m.in. ze względu na płaski obraz w mikroskopie.

Innym przykładem manipulacji wewnątrzkomórkowej są badania nad zachowaniem komórek hodowanych in vitro po dokomórkowej iniekcji substancji stymulujących i inhibujących ich rozwój. Wymaga to zlokalizowania odpowiedniej komórki w roztworze, przy czym obszar poszukiwań odpowiedniej komórki przekracza znacznie przestrzeń właściwej manipulacji i pole widzenia nieruchomego mikroskopu. Następnie zlokalizowaną komórkę chwyta się jedną mikropipetą w celu unieruchomienia, a drugą mikropipetą, przez którą wykonywana jest iniekcja, precyzyjnie przebija się przez błonę komórkową tak, aby jak najmniej ją uszkodzić, a po iniekcji precyzyjnie wycofuje. Metodą ta można również dokonywać wymiany wybranych elementów wnętrza komórki, np. jądra czy cytoplazmy, co ma zastosowanie m.in. w inżynierii genetycznej i sztucznym zapłodnieniu. Obecnie wykonuje się to za pomocą manipulatorów manualnych, albo wyposażonych w napędy, ale pracujących w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego na zasadzie telemanipulacji, co wymaga wysoce doświadczonego operatora, poruszającego manipulatorami za pomocą zdalnych manetek pod kontrolą wzrokową, pod mikroskopem, co jest czasochłonne. Niewłaściwy kąt natarcia kapilary na ściankę komórki dość często prowadzi nie tylko do uszkodzenia komórki, ale także kruchej submikronowej końcówki pipety.

Zespół wykonawców zaproponował wstępną postać procedury projektowania robotów do mikromanipulacji na obiektach biologicznych ze sprzężeniem wizyjnym. Jej istotą jest integracja projektowania systemu wizyjnego z mechatroniczną metodyką projektowania robotów już od początkowych etapów, a zwłaszcza w trakcie wirtualnego prototypowania, co powinno zwiększyć elastyczność realizacji funkcji całego systemu, możliwości osiągnięcia synergii oraz znacznie skrócić nakłady pracy, czasu i środków potrzebne do opracowania nowych urządzeń tego typu.

Zaproponowana procedura zostanie zweryfikowana poprzez zastosowanie do zaprojektowania i wykonania prototypu rzeczywistego urządzenia, składającego się z klasycznego manipulatora równoległego oraz dwóch mikromanipulatorów z elastycznymi przegubami złączowymi. Manipulatory te będą napędzane napędami piezoelektrycznymi o bardzo dużej rozdzielczości ruchu i wymuszanymi napięciem stałym dla uniknięcia zakłóceń elektromagnetycznych. Dzięki zastosowaniu unikalnego algorytmu przetwarzania obrazów możliwe będzie odtworzenie informacji o trzecim wymiarze, pewne przemieszczanie narzędzi w okolicy i w obrębie komórki oraz długoczasowa stabilizacja względnego położenia komórki i narzędzi.

Efektem końcowym projektu będzie zweryfikowana procedura projektowania robotów do mikromanipulacji materiałem biologicznym ze sprzężeniem wizyjnym oraz prototyp uniwersalnego robota hybrydowego ze sprzężeniem wizyjnym do manipulacji wewnątrzkomórkowych z zaimplementowanym sterowaniem do prowadzenia eksperymentów biologicznych techniką patch-clamp oraz iniekcji dokomórkowych.

Zadania:

1. Opracowanie założeń konstrukcyjnych z analizą sposobu ich realizacji; analiza metod modelowania sceny z dynamicznymi obiektami mechanicznymi i biologicznymi oraz makroskopowych systemów obrazowania
2. Synteza kinematyki i projekt konstrukcji części mechanicznej systemu
3. Opracowanie metod modelowania sceny mikromanipulacji na obiektach biologicznych oraz mikro- i makroskopowych systemów obrazowania
4. Projekt sytemu obrazowania i oświetlenia
5. Synteza sterowania częścią mechaniczną, analizy i przetwarzania obrazów
6. Modelowanie i badania symulacyjne systemu mikromanipulacji ze sprzężeniem wizyjnym
7. Modyfikacja elementów systemu mikromanipulacji dla osiągnięcia zgodności ze specyfikacją w badaniach symulacyjnych
8. Weryfikacja eksperymentalna modeli na wykonanym prototypie
9. Implementacja i weryfikacja eksperymentalna algorytmów przetwarzania i analizy obrazów
10. Szybkie prototypowanie sterowania mikromanipulacją
11. Implementacja sterowania i badania eksperymentalne osiągniętej jakości sterowania systemem ze sprzężeniem wizyjnym poprzez zastosowanie do wybranych mikromanipulacji na obiektach biologicznych